深水导管架开发南海油气田工程方案探讨及关键技术研究

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司 广东 518000）

引言

2018年我国石油进口量已经占到总消耗量的70%，且这种趋势还在不断加大，加大海上油气资源开发目前是增强我国能源自主保障能力的主要手段。适时开展新的可适合南海海域的深水导管架平台工程方案，确保降低油田开发工程建设、钻完井及后续生产作业费用降低迫在眉睫。

1.我国南海海域深水导管架的主要研究项标及内容

(1)深水导管架开发南海油气田工程模式研究建议

总体研究南海深水区域油气田潜在开发区域；综合对比区域地质油藏、水深、环境、工程地质等特点，研究不同形势结构物的适应性与优缺点；深水导管架动力特性与生产作业人员职业健康研究，提出深水导管架平台的关键技术方案。

(2)南海深水区域环境条件设计基础关键技术研究建议

环境条件为深水导管架平台设计基础。南海深水区域受台风、内波等多种自然灾害影响，水动力条件及工程地质条件均非常复杂；此外，深水导管架结构整体对地震动参数较为敏感，因此有必要对南海北部陆坡区域环境条件设计基础开展综合研究，解决结构设计基础难题。

①地震动参数区划研究。A.地震活动性模型及参数。B.地震构造模型及地面运动预测模型。C.海域场地土特征及对地震动的影响、场地调整系数研究。

②南海沙坡沙脊特征及分布调查研究。A.AUV工程物探调查。B.沙坡沙脊特征及分布研究。C.土质特性评价研究。

③水动力设计参数研究。A.基于实测数据的极端环境下波浪超高的概率研究。B.强底流对桩腿、管线冲刷影响研究。C.深水导管架建造、安装期间环境条件研究。D.强非线性波浪在海工结构物上极端爬高的研究。

(3)深水导管架基础理论与关键技术研究建议

①深水导管架X撑结构承载机理研究

针对深水导管架不同形式X撑的承载机理开展理论研究，包括不同尺寸、受力、构型、有无面外支撑等。研究其失效模式、关键结构稳定性设计参数等，如杆件屈曲长度（Ly/Lz）和屈曲长度系数（Ky/Kz），并给出理论推荐值。

②桩基承载力关键技术研究

针对南海陆坡油气田深水导管架工程方案，根据工程开发场地海洋环境综合数据以及工程地质数据，开展桩基承载力关键技术研究。

③深水长桩波浪动力特性研究

深水长桩自由站立动力效应实验研究；深水长桩自由站立动力分析方法研究。

④深水导管架鲁棒性研究

基于倒塌分析的深水导管架鲁棒性机理研究；主立面框架斜撑/X撑布置对导管架鲁棒性的影响研究；上部八腿变四腿转换框架构造型式对导管架鲁棒性的影响研究。

⑤深水导管架隔水导管关键技术研究

主要研究以下几项内容：单筒双井技术研究；隔水导管最大无支撑长度研究；隔水导管架结构强度及稳定性研究；隔水导管架与导管架综合作用研究；隔水导管结构稳定性试验验证。

(4)深水导管架工程设计、建造及安装关键技术研究建议

①适合于深水导管架封头的设计方法研究，对比研究不同的设计标准和制造标准差别；适合于深水导管架的封头形式对比研究，以及封头上开入孔研究；适合于深水导管架的封头制造工艺方法研究和封头制造厂家调研；形成深水导管架大尺寸封头推荐做法。

②深水导管架注水和灌浆系统设计研究，深水导管架通常为卧式建造，海上滑移下水后，导管架为水平状态，采用浮吊配合注水系统向导管腿内充水，实现导管架扶正坐底。打入钢桩后，对钢桩和群桩套筒的环形空间进行灌浆作业，因此深水导管架设计需要配备复杂的充水和灌浆系统。注水和灌浆系统的设计随着导管架水深增加更为复杂，研究适应深水导管架的注水和灌浆系统势在必行。

③超大型导管架DP船安装技术研究，从国外近年完成的深水导管架安装工程案例来看，安装主作业船采用DP船施工，DP船具有定位精准、就位灵活、不需抛锚等传统锚系船不具备的优势。目前200m之内的大型导管架施工，均采用锚系船进行海上安装，在DP船进行深水大型导管架施工方面缺乏经验，DP船在南海陆坡海域大型导管架施工有较大优势。

2.技术难点、创新点

(1)技术难点

①深水导管架工程模式确定；②深水导管架关键技术体系确定；③极端波峰高确定；④不同规范机构土壤承载力计算基础与理论；⑤柔性长桩承载力分析理论；⑥深水导管架X撑结构承载机理；⑦深水导管架钢桩动力特性；⑧深水导管架鲁棒性基本原理；⑨低温海洋环境牺牲阳极保护机理；⑩大尺寸水密封头在300m水深级导管架上的应用；⑪300m水深级注水和灌浆系统设计。

(2)技术创新点

①极限波峰高的确认；②高保真平台数字孪生体的搭建；③基于有限点监测数据反演平台整体状态响应的高准确度反演算法；④创建适用于平台的个性化结构状态响应数据库和个性化损伤数据库；⑤300m水深级导管架的封头、注水和灌浆系统关键技术；⑥DP安装导管架技术；⑦深水导管架应用翻桩式震动锤适用性研究。

3.国内外项前深水导管架水平和发展情况

我国对于水深200m以下的导管架具有丰富的设计经验，主导了多座水深超过60m的导管架结构设计，平台就位地点覆盖中国多个海域。

在全球范围内，水深大于200m的导管架平台，近5年内只有1座，近10年共计有2座，近20年共计有4座；水深大于300m的导管架平台，近5年内只有1座，近20年共计有2座。其中，位于墨西哥湾的Cognac平台，导管架滑移下水重量最大，达59000t；位于墨西哥湾的Bullwinkle平台，导管架就位地点水深最大，达412m。这些深水导管架的结构形式和设计方法不同于传统的浅水和较深水导管架。

对于水深超过200m的导管架结构设计，国内进行自主设计还面临很多技术挑战和风险，包括深水导管架结构规划与设计、结构设计基础理论研究、南海200-350m区域钢桩承载力计算、导管架阴极保护系统、国内建造安装资源能力极限、南海恶劣海况、内波流、复杂场址对导管架设计适应性的高要求、设计规范和理念的认识等。国内目前还未有过300m水深级导管架的陆地建造案例，没有实际建造经验借鉴，缺乏系统性的理论支持。

深水导管架具有尺寸大、重量大，达到或超过国内下水驳船下水能力，目前国内还未有超过250m水深导管架安装案例，没有实际安装经验借鉴，缺乏系统性的理论支持，安装技术与人员经验都存在不足。

4.深水导管架研究开发技术关键

通过研发深水导管架基础数据、基础理论、结构设计技术、防腐设计技术、建造、安装、运维技术，系统掌握350m水深级导管架设计、建造、安装、运维关键技术，取得深水固定式生产平台技术和南海北部陆坡中深水开发模式的突破，水深200m至400m区域的多个含油气区块能够做到经济高效开发。

深水导管架基础理论与关键技术，建造和安装关键技术研究，针对350m水深的导管架设计、建造和安装技术，涵盖导管架设计的基本原理研究，建造技术和安装技术的创新性研究，可以大大降低后续深水导管架的设计费，建造和安装费等。

通过研究形成一整套关于大型深水导管架陆地建造的技术方案，作为基础经验指导后续300m乃至更水深更大的导管架的陆地建造，形成安全、优质、高效的深水导管架陆地建造能力，竞争力。

(1)可行性与风险分析

国际上仅有少数几家设计公司具有水深超过200m的导管架设计经验。深水导管架的设计技术没有知识产权保护，对于300m水深级导管架设计关键技术研究的可行性不存在问题，存在的风险主要是目前具备深水导管架设计能力和业绩的公司及人员很少，不易找到基础性的研究成果，不易系统性的研究深水导管架平台设计原理和设计方法。

(2)技术经济分析

通过科研攻关，能够深入了解作业水深在350m左右的深水导管架平台的设计原理、标准规范以及设计方法；全面掌握作业水深350m级深水导管架平台设计分析技术；完善深水导管架设计技术体系。为南海深水油气田高效经济开发提供可靠模式。

通过研究，全面掌握300m水深级导管架陆地建造技术，发掘新方法新思路，减少项目人工，机械设备等的投入，提高施工效率，降低项目成本。

5.结语

当前，深海资源开发重要性日益凸显，对深海油气开发成为当前国家经济发展中的重要内容，我国在过去所采用的方法已经不适应现在新的问题，需要对这些方法进行必要的完善和发展，利用新的科学技术创新，使得新的技术产生以促进深水开发安全顺利进行。